集成收发器支持小尺寸相控阵雷达平台

相控阵雷达系统利用许多发射和接收通道来发挥作用。从历史上看，这些平台是使用单独的发射和接收集成电路（IC）构建的。这些系统使用单独的芯片用于发射（Tx）电路中的数模转换器（DAC）和接收（Rx）电路中的模数转换器（ADC）。这种分离导致了许多大尺寸、高成本、高功耗的系统，以实现实现所需功能所需的通道数。由于制造和校准的复杂性，这些系统通常也需要较长的上市时间。然而，最近一种利用集成收发器的方法将许多曾经被认为是不同的功能组合到单个IC中。使用这些 IC 可实现小尺寸、低功耗和成本、高通道数相控阵雷达平台，并加快上市时间。

集成收发器简介

集成收发器（如图1所示）将多种功能组合到单个IC上。例如，新型收发器将DAC、ADC、本振（LO）频率合成器、微处理器、混频器等集成到单个12 mm×12 mm单片产品中。此外，该产品结合了两个接收通道和两个发射通道，以及数字信号处理（DSP）组件，以实现系统所需的瞬时带宽。还提供应用程序接口（API），用于在客户平台上操作收发器。增益和衰减控制可以通过利用片上前端网络来实现。提供内置初始化和跟踪校准例程，以提供许多通信和军事应用所需的性能。

图1.ADRV9009是集成收发器的一个示例，它将许多功能集成到单个IC中。

这些集成收发器能够通过注入称为REF_CLK的单个参考时钟信号来创建发射器和接收器所需的所有时钟信号。 然后，片内锁相环（PLL）合成DAC/ADC采样、LO生成和微处理器时钟所需的所有时钟。如果内部LO相位噪声不足以满足客户应用的需求，用户可以选择注入自己的低相位噪声外部LO。

来自该器件的数据通过标准化的JESD204b多千兆串行数据接口卸载。该接口可实现大量同时数据接收和传输。新的集成收发器解决方案有助于提供接口IP，以简化客户的上市时间。如果需要确定性延迟和数据同步，用户可以利用内置的多芯片同步（MCS）功能并发出SYS_REF信号，作为初始通道对齐序列（ILAS）的主定时参考。1

此外，使用内置的RFPLL相位同步功能，Tx或Rx通道的LO相位可以相对于主参考相位确定。通过同时利用MCS和RFPLL相位同步功能，可以在初始化器件、调谐或在软件中打开和关闭无线电时复制相位对齐。新型集成收发器的示例提供了启用这些功能的确定性相位。

 

图2.内置的RFPLL相位同步功能为系统提供了相对于主参考源的确定性相位关系。

使用多个集成收发器

如果一个系统需要两个以上的接收器和两个发射器，用户仍然可以通过使用多个集成收发器，从单片Rx和Tx通道实现的小尺寸中受益。此技术的示例如图 3 所示。利用并发SYS_REF脉冲同时触发所有IC的内部分压器，可以同步多个集成收发器。这些SYS_REF脉冲可以由时钟芯片或基带处理器发出，具有可编程延迟，以解决到各种IC的路由之间的任何长度不匹配。数据路径和跨多个芯片的多个LO都具有确定性。

图3.可以使用多个集成收发器来增加系统的通道数。

集成收发器作为相控阵雷达平台的骨干

通过使用同步集成收发器增加通道数，这些器件就可以作为相控阵雷达平台的骨干。当组合相位和幅度对齐的Tx和Rx通道时，使用多个集成收发器已经显示出系统级动态范围、杂散和相位噪声的改善。

片上DSP特性，如数控振荡器（NCO）和数字上变频器（DUC）或数字下变频器（DDC），现在可以在单个IC中实现系统级杂散去相关方法。2

使用多个集成收发器组合接收器通道，既改善了系统级噪声频谱密度（NSD），又改善了杂散性能。这通过降低系统的有效本底噪声，同时保持通道满量程功率，改善了相控阵雷达系统的动态范围。图4显示了组合多达8个集成收发器Rx通道以有效增加相控阵系统中实现的位数时所测得的系统级结果。请注意，当从一个通道变为八个通道时，NSD和每个图中红线所示的计算本底噪声提高了~6 dB。这是因为，尽管总共有八个通道，但只有四个不同的、不相关的LO（即N瞧=4） 在用于创建这八个通道的四个集成收发器中。这导致改进

这接近集成收发器提供的实验结果。此外，不需要的镜像频率以不相关的方式相加，以实现系统级杂散性能改进。随着通道数量的增加，这种改进可以进一步增强，从而实现可扩展的系统。

 

图4.使用ADRV9009集成收发器组合Rx通道可降低噪声频谱密度并改善动态范围。

此外，在相位对齐和组合多个集成收发器通道后，相控阵系统的相位噪声可以得到改善。图5的前三条迹线显示的测量结果表明，当使用四个集成收发器IC的内部LO组合八个发射通道时，相位噪声性能有所改善。同样，在有四个不同且不相关的联络处（即N瞧= 4），当从一个Tx通道变为八个Tx通道时，相位噪声改善了~6 dB。增加通道数可以进一步改善相控阵雷达系统的相位噪声。或者，可以向由 N 组成的每个子阵列注入一个外部 LOTRx集成收发器并改善子阵列级的起始相位噪声，如图5中的蓝色迹线所示。但是，这是以该子阵列中的每个元素相关联为代价的，因为它们都共享相同的LO源，因此它们无法在子阵列本身内提供通道求和改进。对于图5所示的外部LO相位噪声数据，外部LO源使用罗德与施瓦茨SMA100B信号发生器。

图5.使用内部LO时，组合多个ADRV9009的Tx通道可改善系统级相位噪声性能。外部LO注入为子阵列提供了改进的起始相位噪声。

集成的DSP功能，如NCO、数字移相器和DUC/DDC，允许在数字域中进行基带相位和频率转换，从而在基于集成收发器的多通道相控阵雷达系统中实现数字波束成形。由于将功能捆绑在单个IC上，系统现在能够在许多相关的相控阵应用中使用集成收发器实现天线晶格间距。使用更多收发器增加通道数通常会导致波束更窄，但代价是增加系统占用空间。然而，由于现在在单个单片IC中具有多种功能，因此这种占位面积的增加现在比过去要小。使用 MATLAB 仿真辐射图后，图 6 显示了从 N = 2®3到 N = 210通道导致波束变窄和理论瓣振幅变深。实际中的功率零点将由天线设计决定。

图6.DSP 特性现在支持使用片上 NCO 和 DDC/DUC 进行数字相移。增加通道数和最佳相移会导致集成收发器形成的波束变窄。

结论

在单个IC中集成多个数字和模拟功能，可实现更小尺寸的相控阵雷达系统。这些系统可以同时实现数字波束成形和混合波束成形，具体取决于系统规格。已经证明了使用ADI公司的ADRV9009的系统级性能改进。这些集成器件支持各种新的系统，这些系统使用相同的硬件为多个应用提供服务。

审核编辑：郭婷